Doseringssystem för limning av rotorblad

Under de kommande decennierna kommer vi att se en kontinuerlig ökning av vindkraftens andel i den globala energimixen. Målet är att vindkraftparkerna ska kunna leverera el till ett pris som är lägre än för fossil energi. Tillverkare av rotorblad och av doserings- och blandningssystem för lim kommer därför att ha ett antal utmaningar att ta itu med i framtiden.

Det viktigaste vid tillverkning av rotorblad till vindkraftverk är att förkorta produktionstiden och samtidigt sänka produktionskostnaderna. Samtidigt kräver operatörerna av vindkraftparkerna att bladen ska hålla i mer än 20 år. För att uppfylla alla dessa krav måste de olika inblandade disciplinerna samla sin expertis och arbeta tillsammans på ett effektivt sätt. I synnerhet dosering, blandning och applicering av lim spelar en viktig roll (figur 1).

Ökande mängder lim

När det gäller rotorblad som är mer än 100 meter långa behövs upp till 1200 kilo gram lim för att fästa ihop de två bladhalvorna. Både längden på bladen och mängden lim som krävs kommer sannolikt att öka i framtiden. Limmets öppentid är i allmänhet cirka 45 minuter vid 25 °C. Oavsett bladets storlek måste limningsprocessen slutföras inom denna tid. Limmet mäts med hjälp av högupplösta volymräknare med ett slutet regleringssystem för var och en av limkomponenterna. Sensorer kan också integreras för att övervaka appliceringstemperaturen inom de nödvändiga toleranserna.

Produktionsprocess för rotorblad med doserings- och blandningssystem — Bild 1: Doserings- och blandningssystem för lim spelar en viktig roll vid tillverkningen av rotorblad.

För att klara de krav som ställs på längre rotorblad och ökande mängder lim har Dopag utvecklat mycket stora doserings- och blandningsmaskiner med 400 liters bufferttankar för varje komponent. De har mobila påfyllningsstationer för att minska utrymmesbehovet för dispensersystemet, vilket är en viktig faktor i många företags produktionsanläggningar. Med hjälp av dessa system kan användarna effektivt utnyttja 600 liter eller cirka 750 kg av det lim som finns lagrat i maskinen. Därmed behövs inte mer än två dispenserings- och blandningsmaskiner, även om tidsplanen för limningsprocessen är snäv. Påfyllningsstationerna gör det möjligt för operatörerna att använda de återstående materialen för nästa limningsprocess och att hålla den maximala mängden material tillgänglig mellan två applikationer.

Bearbetning av trekomponentslim

Vissa tillverkningsprocesser kräver trekomponentslim. Det finns maskiner på marknaden som är speciellt konstruerade för bearbetning av snabb- och långsamhärdande lim. Dessa maskiner gör det möjligt för tillverkare av rotorblad att välja och applicera den härdare som bäst uppfyller deras individuella krav.

Limning av de två halvorna av rotorbladet — Bild 2: Att limma ihop rotorbladets två halvor är en komplex och tidskrävande process.

Om mindre delar av rotorbladen måste limmas mot slutet av limappliceringen, påskyndar ett snabbhärdande lim processen. När det gäller större komponenter, t.ex. huvudformen (fig. 2), möjliggör ett långsamt härdande lim en noggrann och grundlig limningsprocess.

Möjligheten att välja olika lim förbättrar inte bara den totala effektiviteten i limningsprocessen, utan erbjuder också en rad möjligheter att anpassa proceduren. Som ett resultat kan användarna uppfylla de varierande kraven för de olika komponenterna i rotorbladen.

Snabbare processer

På grund av materialens egenskaper är det en stor utmaning att påskynda limningsprocessen. Härdningen av material är en kontinuerlig process och tillförlitlig vidhäftning beror på det blandade limmets öppettid, vilket är en avgörande aspekt av dess livslängd. Som redan nämnts måste appliceringscykeln slutföras inom 45 minuter, oavsett bladstorlek. På grund av rotorbladens ökande längd måste limningsprocessen snabbas upp.

De senast utvecklade högpresterande doseringspumparna med mycket exakta processinställningar gör att limmet kan doseras med en hastighet på över 30 kg per minut. Dessutom finns maskiner med variabla flödeshastigheter och extra materialbuffertar som inte behöver fyllas på under processens gång. Med hjälp av den nya tekniken kan limmet doseras, blandas och appliceras inom det angivna tidsfönstret.

DOPAG Gluemix doserings- och blandningssystem — Figur 3: Gluemix doserings- och blandningssystem gör att epoxihartser kan användas i tillverkningsprocessen för rotorblad.

Applicering med olika vulstprofiler

Olika vulstprofiler behövs när limmet appliceras på de olika delarna av rotorbladet: huvudformen, framkanten och bakkanten. För att säkerställa att appliceringsprocessen uppfyller de varierande kraven på limspalten måste munstycket ofta bytas - upp till nio gånger för varje rotorblad. Detta är mycket tidskrävande och innebär en hel del arbete. Det utgör en betydande del av limningsprocessen och kan leda till att rotorbladen inte kan göras ännu större. Dessutom kräver limningspunkterna ibland manuell efterbearbetning (form, luftbubblor etc.), vilket leder till en avsevärd ökning av arbetsmängden i den totala processen.

Fraunhofer Institute for Wind Energy Systems IWES har utvecklat ett variabelt munstycke för applicering av lim som kan applicera olika profiler i ett steg. Munstycket kan automatiskt justera profilen på den limpärla som appliceras på olika delar av rotorbladet, vilket resulterar i en betydande minskning av tidsåtgången. Med hjälp av sensorer kan processen automatiseras helt eller delvis och den mängd material som används från början av limningsprocessen kan mätas exakt (fig. 4 och 5).

Denna tekniska utveckling gör det möjligt att applicera endast den specificerade mängden lim på varje sektion med rätt vulstprofil, vilket garanterar högsta möjliga kvalitet och minimerar spillet. Rotorblad som limmas på detta sätt är också lättare i vikt. Dopag har integrerat det variabla munstycket för limapplicering i sitt doserings- och blandningssystem Gluemix (bild 3).

Konsekvent blandningsförhållande

Tillverkarna lämnar garanti på sina rotorblad under en period på mer än 20 år. En viktig faktor för att uppfylla detta åtagande är den permanenta bindningen mellan bladets två halvor. Detta kan endast garanteras om det specificerade blandningsförhållandet för materialkomponenterna förblir konsekvent under appliceringen av limmet. Det huvudsakliga limmet som används inom vindkraftsindustrin är ett tvåkomponents epoxiharts. Toleranserna för blandningsförhållandet är mycket snäva. Förhållandet måste ligga inom intervallet ±2 delar härdare till 100 delar harts. Blandningsförhållandets konsistens garanteras av volymräknare med hög precision som används för att styra och driva doseringspumparna för varje komponent oberoende av varandra som en del av ett regleringssystem med sluten slinga.

Dopag använder spindelflödesmätare för att säkerställa att tryckfallet i volymräknaren hålls till ett minimum jämfört med andra tillgängliga lösningar. Denna funktion gör det möjligt att övervaka och styra blandningsförhållandena från början till slut.

Dessutom har systemen en automatisk förkalibreringsmekanism som bygger på vägningssystem. Detta resulterar i en betydande ökning av processens tillförlitlighet, eftersom förhållandena kan upprätthållas exakt och konsekvent. Dopag har integrerat dessa tekniker i sitt Gluemix-system.

Bild 5: Det variabla munstycket för limapplicering kan applicera limpärlor med olika profiler.

Översikt över OEE-element — Figur 6: Översikt över elementen i OEE och hur de samverkar.

Onlineövervakning och förebyggande underhåll

Den kontinuerliga konvergensen av system och processer gör att de olika delarna av produktionskedjan kan kopplas samman med varandra. Denna pågående process (Industri 4.0) omfattar integrering av dataanalyser och intelligenta tekniker i syfte att skapa en mer effektiv och tillförlitlig produktionsmiljö. Den ökande uppkopplingen möjliggör också sömlös kommunikation mellan systemen i blandningsprocessen för lim till rotorblad. Detta ökar effektiviteten i processen och gör det möjligt att reagera på förändringar i realtid.

Dopags Life Cycle Logger (LCL) möjliggör onlineövervakning och förebyggande underhåll av systemet, vilket innebär ett betydande framsteg i limningsprocessen. Tidigare har det sällan varit möjligt att göra tillförlitliga analyser av historiska driftdata och dra slutsatser om underhållsintervall och komponenternas livslängd. Den nya modulen ger maskinoperatörer och servicepersonal en detaljerad inblick i alla processparametrar och användningsprofiler för doseringskomponenterna. Dessa inkluderar materialmängder och tryck, temperatur- och accelerationsdata, testbänksresultat avseende effektivitet och andra driftdata. På så sätt kan användarna reagera omedelbart på avvikelser och säkerställa en hög nivå av processäkerhet. Detta ger också fördelar för förebyggande underhåll. Genom att jämföra data kan operatörerna på ett tidigt stadium identifiera potentiellt kritiska områden med slitage och gradvis uppkomna fel.

Med hjälp av OEE (Overall Equipment Effectiveness) (figur 6) kan alla nyckeltal som rör tillgänglighet, prestanda och kvalitet dokumenteras på ett korrekt sätt. OEE är en globalt erkänd standard för utvärdering av industrianläggningars produktivitet och spelar en central roll för att förbättra driftseffektiviteten. De data som Life Cycle Logger tillhandahåller utgör grunden för strategisk planering och övervakning av dispensermaskinernas produktivitet i realtid och kan integreras sömlöst i moderna Lean Management-system.

Statliga subventioner

I många länder är utbyggnaden av den inhemska vindkraftssektorn strategiskt viktig för energimixen. Därför stöder och finansierar regeringarna aktivt ett stort antal forskningsprojekt. Syftet är att förbättra processerna inom vindkraftsindustrin, i synnerhet med tanke på det stora kostnadstrycket. Genom att investera i forskningsprojekt försöker regeringarna främja innovation, öka effektiviteten och upprätthålla tillväxten inom den lokala vindkraftssektorn. Detta uppmuntrar utvecklingen av ett varierat och hållbart inhemskt energilandskap. Dopag är partner i flera statligt finansierade FoU-innovationsprojekt där man arbetar tillsammans med tillverkare av vindkraftverk och deras leverantörer för att optimera produktionssystemen och kostnadseffektiviteten i processerna.

Hur ser framtiden ut?

Betydelsen av landbaserade och havsbaserade vindkraftsparker kommer att öka betydligt under de kommande åren. Utvecklare av turbiner, tillverkare av doseringssystem och forskningsinstitut arbetar med framtidens produktionsprocesser som tänjer på gränserna för dagens teknik. Tillverkarna av doserings- och blandningsmaskiner inför kontinuerliga förbättringar av varje aspekt av sina nyckelfärdiga lösningar, från kvaliteten på materialmatningen med vakuumbaserade trumbyten till limapplicering med det variabla munstycke som beskrivs här. De integrerar elektriskt manövrerade palltrucksanslutningar för att flytta maskinen längs formen, tillsammans med roterande kameror som upptäcker föremål i körbanan utan att användaren behöver ingripa.

Målet är att optimera limningsprocessen för att minimera tiden då verktyget är i bruk. Detta förkortar inte bara produktionstiderna, utan minskar också materialspillet och de totala produktionskostnaderna. Det faktum att alla delar av branschen fokuserar på dessa framsteg understryker branschens engagemang för ökad effektivitet och hållbarhet vid tillverkningen av framtida vindkraftverk.